具有一体式气缸盖的柴油发动机的发动机缸体及其铸造方法

摘要

本发明涉及一种柴油发动机的发动机缸体，其与气缸盖一体铸成并带有多个直列式气缸，该发动机缸体具有外壁(21)和各气缸壁(13)以及其间用于液态冷却剂的第一冷却室(22)并在气缸顶(14)上方具有第二冷却室(25)，其中该气缸顶(14)具有用于换气阀的开口(15、16)并且第一冷却室(22)在四周完全环绕全部气缸壁(13)。为加强并制冷从气缸壁(13)向气缸顶(14)过渡的薄弱区域，根据本发明，冷却室(22)在相邻气缸的气缸壁(13)之间形成间隙(23)，其宽度(35)恒定或自上向下增大，并且环绕气缸壁(13)的第一冷却室(22)全面延伸到气缸顶(14)上方。

说明书

技术领域

本发明涉及一种柴油发动机的发动机缸体，该发动机缸体具有一体成型的气缸盖、具有多个直列式气缸、具有外壁和各个气缸壁以及其间用于液态冷却剂的第一冷却室并具有在气缸顶上方的第二冷却室，该气缸顶具有用于换气阀的开口，其中第一冷却室全面环绕全部气缸且向上延伸至气缸顶上方。

这种结构类型亦称作“整体式缸体(Monoblock)”。该结构避免了独立气缸盖相关的不利因素：通过螺栓使气缸盖与发动机缸体相连以及气缸盖的密封。由此，该结构特别适于高功率密度的柴油发动机。高功率密度引起高压并需要通过液态冷却剂进行强冷却，特别是在气缸顶周围。然而，这种结构类型对铸造工艺的要求较高。

背景技术

这种类型的发动机例如参阅第DE 1938134 A号专利文献。其中，冷却液(通常为水)在气缸壁四周环流。为在气缸顶周围达到足够的刚度，在此将其构成连续水平壁的一部分。但是，由此将冷却室分为两个分隔的腔室，气缸壁向气缸顶过渡的特殊薄弱区域在机械结构上存在缺陷且并未直接受冷却液环流。

第DE GM 1995270号专利文献同样公开一种整体式缸体结构的发动机，其中气缸顶接合至连接全部四个气缸的板体。由此，环绕气缸壁的第一冷却室并未在四周超出气缸顶。由此，薄弱的过渡区域并未受到冷却水冲刷。

由第AT 382429号专利文献已知一种通用类型的发动机，其气缸体的盖部分中的喷油单元由连续的纵向孔道供以燃料并且其第一冷却室全面延伸超出气缸顶，而并未叠盖气缸顶。可以看出，该第一冷却室仅通过一个自外部钻孔并塞住的横向孔道与第二冷却室(盖部分内)形成流体连通。从而，冷却水流不能以高功率发动机所需的方式流入上方的冷却室内。

第JP 07-071310号专利文献涉及一种整体式缸体结构的发动机。如其中图3所示，第一冷却室在阀门开口的区域内叠盖气缸顶，但仅叠盖少许部分。为尽量取得结构刚性及冷却性的提高，叠盖部分应与自上向下增大的间隙宽度协同作用。

第DE 10033271 B4涉及常规结构发动机的冷却套型芯(并非整体式缸体结构)。在常规结构中，在气缸壁与气缸顶之间并不存在薄弱的过渡部分。在其中所述的铸造方法中，采用嵌件插入型芯内。而这种嵌件耗费时间、构型受限且其在铸件脱模的过程中会受到损毁。

发明内容

在用于这类整体式缸体的铸模的制造过程中，须为对应于围绕气缸壁的冷却室的型芯部件设置一定角度的模锻斜度。必须如此才能将型芯部件完好无损地从制造该型芯所需的型芯模具(亦称作型芯箱)拔出。这种所谓的模锻斜度始终必不可少，即便其可能由于角度过小而在普通图示中无法看出。该特征在型芯部件极薄的情况下尤为重要，诸如其对应于相邻气缸间的冷却室区域内。薄型芯部件尤为易碎。

该区域型芯部件的模锻斜度致使型芯部件在气缸顶周围的厚度大于在其下端的厚度并由此导致气缸壁上部的壁厚较小，特别是在气缸顶中薄弱的过渡区域内。该“薄弱处”使功率密度的提高受到局限。

因此，本发明所要解决的问题在于如何消除这种薄弱处。根据本发明，冷却室在相邻气缸的气缸壁之间形成间隙，其宽度自上向下恒定或增大。在此处及下文中，“上/下”是针对直立式发动机而言，其气缸顶处于上方且其曲轴处于下方。卧式和立式亦然。

此举导致气缸壁在其与气缸顶的薄弱过渡区域不再易损，在间隙宽度向下增大或间隙弥合的情况下甚至得到加固，并且对气缸壁与气缸顶过渡部分的制冷更强。这可令功率密度进一步增高。

较佳地，冷却室在排气阀的区域内叠盖气缸顶。叠盖及环绕可进一步加强易损区域的冷却，特别有利于排气阀的周围区域。

若发动机缸体包含将第一冷却室与第二冷却室分隔的壁部件，则在优选的改进方案中设置两个水平孔道，第一水平孔道止于外壁中，第二水平孔道止于对置的外壁中，其中两水平孔道之一止于喷油嘴附近，从而自第一冷却室向上流动的冷却液定向于喷油嘴。由此，还通过对准灵敏喷油嘴的射流使其受到有效的制冷。通过每一气缸成对布置的横向孔道，第二冷却室可完全涵盖于冷却剂环路内。

在加工技术方面，自外部对发动机缸体钻孔并穿透垂直的壁部分十分轻松，尤其是铸成的缸体至少还可在多处位置受到机械加工。孔道在外壁的开口易于如同其他型芯定位孔同样的方式封闭。

本发明还涉及一种铸造方法，该方法特别适用于根据本发明在相邻气缸之间形成间隙。在此，可设想，型芯的各部分分别由已相应备好的型砂在型芯箱中成型，形成第一冷却室的型芯部件在相邻气缸之间的间隙区域内借助各自单独的嵌件构成，该嵌件的形状对应于间隙的宽度或间隙的宽度变化。

根据本发明，厚度恒定或向下增大的嵌件沿垂直方向插进用于制造型芯的模具(型芯箱)中。为实现该插进行为，在型芯箱中及嵌件上设置垂直导轨。将型芯从型芯工具脱模的过程中，嵌件与型芯部件共同由型芯工具向上脱出，就此导轨由其中脱出，随后移向一旁。如此，仅需附加相当简单的型芯工具。嵌件由耐久性材料组成且由此可再利用。此外，其形成间隙的侧面可具有任意形状。

附图说明

下面将参照附图阐述本发明。其中：

图1表示根据现有技术的通用类型发动机的局部纵剖面图；

图2表示根据本发明的发动机的局部纵剖视图；

图3表示图2所示发动机沿图5中III-III的剖面图；

图4表示图2所示发动机沿图5中IV-IV的剖面图；

图5表示图2所示发动机沿图3中V-V的水平剖面图；

图6表示用于制造如图2所示发动机的铸模的剖面图；

图7表示用于根据本发明的方法制造铸模型芯部件的型箱。

具体实施方式

参见图1，首先根据现有技术说明本发明所要解决的问题。具有直列式气缸的发动机缸体1与盖部分2铸成一体。气缸壁3围绕燃烧室5且四周完全受冷却室围绕，这些冷却室受冷却液(通常为水)环流。在铸模中，通过砂芯实现冷却室。它们在特定模具中构成。为使型芯能够完好无损地从模具拔出，需要一定角度的模锻斜度，型芯越薄(越脆)，则该模锻斜度的角度越大。在相邻气缸的气缸壁3之间的间隙6中的型芯尤其更薄。由于该模锻斜度，间隙6的厚度自下向上直至气缸顶4不断增大并且气缸壁3的厚度则不断变薄。由此，气缸壁3在其与气缸顶4过渡部分的热应力及机械应力最高的区域8中最薄。该薄弱处使发动机的功率密度受到局限，例如此处可能会在过载的情况下发生断裂。

图2示出根据本发明的发动机缸体10的纵剖面图，其中该纵剖面图仅为例如具有六个气缸的发动机的局部视图。发动机缸体10由气缸部分11以及与其一体成型的盖部分12组成。每一气缸由气缸壁13及气缸顶14组成，该气缸顶14具有用于进气阀的开口15和用于排气阀的开口16以及用于喷油嘴17的开口(图3)。进气通道31连接至开口15，排气通道32(图4)连接至开口16。

图3示出发动机缸体10的第一剖面图。气缸壁13及气缸顶14分别围绕燃烧室18。每一气缸壁13四周均受到第一冷却室22完全环绕。该第一冷却室为全部气缸所共用并且其外部由发动机缸体10的外壁21环绕。第一冷却室22自发动机缸体10的下部向上延伸并且超出气缸顶14的气缸外表面止于29。第一冷却室22在相邻的气缸之间形成间隙23(参见图2)。根据本发明，该间隙23的宽度35恒定或自下向上增大，甚至具有特定的分布形状。如此，例如在两个相邻气缸壁之间可能具有连接桥。该间隙23向上伸出气缸顶14且止于加宽部24，该加宽部叠盖并围绕气缸顶14。由此，在易损区域(图1中以标号8表示)，气缸壁13的厚度不会减小，甚至会加厚，并且气缸顶14中的过渡部分受冷却液环流。

盖部分12包含第二冷却室25，该第二冷却室25与第一冷却室22由间隔壁26分开。由于间隔壁26涉及形成进气通道31、排气通道32及用于容纳喷油嘴17的开口，因此其具有不规整的空间形状并且还具有垂直的壁部分。而间隔壁26在其间向下延伸至气缸顶14的气缸外表面，在此转变为气缸顶(14)。第二冷却室25终止的位置也比第一冷却室22的上端29更深。为使第一冷却室22与第二冷却室25相连，仅需再于铸成的发动机缸体10上制出第一水平横向孔道27并在其外端利用塞子28封闭。

图4示出发动机缸体10自气缸中间平移的的第二剖面图。该剖面穿过用于排气阀的开口16。在此可以明显看出，第一冷却室22在30于排气阀附近极大范围地叠盖气缸顶14。此外，在此还可看出第二水平横向孔道33，该第二横向孔道33在气缸体的另一纵侧21’使第一冷却室22与第二冷却室25相连。利用球体34将其外端塞住。第二横向孔道33指向喷油嘴17，从而使该薄弱机构也受到良好的制冷。

在由横向孔道27、33的中线展开的平面中形成图5的水平剖面图。该剖面在阴影区域切断将两个冷却室(22、25)分开的分隔壁26以及外壁21。可以看出，第一冷却室22介于外壁21与各气缸的气缸壁13之间，间隙23介于相邻气缸之间。第一冷却室22对应于下文将提及的型芯，其中涉及在该间隙23之中及周围的型芯部件。在四气门发动机中，情况类似。

图6示出整体以40表示的用于制造根据本发明的发动机缸体10的铸模，以备说明根据本发明的铸造方法。在仅由分界线41表示的两部分型箱(OK和UK)中置入型芯部件(并未示出细节)。型芯对应于铸件的空腔(例如22*对应于第一冷却室22等等)。本发明的关键是用于第一冷却室22的型芯部件22*。其他型芯部件是用于第二冷却室25的型芯部件25*以及对应于通道31、32的型芯部件。

图7示出根据本发明的铸造方法所需的成型工具。该成型工具用于制造型芯部件22*且整体以50表示。成型工具的外壁56的内轮廓对应于发动机缸体10的外壁21的内轮廓，塔状体51对应于气缸壁13及气缸顶14的外轮廓。塔状体51分别在面向于毗邻气缸的区域具有垂直的燕尾槽52(并未以模锻斜度的角度倾斜)，嵌件53沿垂直方向(箭头57)插入该燕尾槽52中作为成型工具用于制造型芯部件的部分。

嵌件53具有凸面55，该凸面同样具有垂直的母线或总体上具有任意形状。由此，凸面55的分布形状可包括特定构形(例如还包括对应于在图中未示的相邻气缸壁之间连接桥的穿孔)。凸面55对应于型芯部件42在相邻气缸的间隙23内的形状。此后，通过将型砂吹入成型工具50形成型芯部件42。由于垂直的导轨54，能够将制成的型芯部件42连同嵌件53一起沿着燕尾槽54拉出用于制造型芯部件的成型工具50。随后，将嵌件53沿水平方向从型芯部件42拆开，完成型芯22*的制备，其具有根据本发明成型的间隙23的界线。